Использование взрывчатых веществ

Модель формирования детонационных волн в гомогенных ВВ (например, нитрометан и его смеси) была предложена Чепменом и уточнена А.Н. Дреминым и сотрудниками [3]. Определение критических условий инициирования детонации для гомогенных ВВ сводится к задаче адиабатического теплового взрыва в условиях изменяющейся во времени температуры с заданным начальным давлением инициирующей ударной волны (УВ).

Гетерогенные же ВВ являются химически однородными, но структурно они неоднородны. Для данной группы ВВ существенны процессы, протекающие на неоднородностях структуры непосредственно за фронтом УВ. При этом для гетерогенных ВВ влияние температурного фона из-за объёмного разогрева значительно, особенно на стадии резкого ускорения инициирующей УВ и установления стационарной детонации. Критические параметры инициирования и пространственно-временная картина течения за фронтом инициирующей УВ для данной группы зависят от баланса между энергией, вводимой в ВВ ударной волной, и энерговыделением от разложения. При этом к локализации выделения энергии приводят следующие структурные дефекты в материале заряда:

· макроуровневые срезы и разрушения на неоднородностях структуры заряда;

· разрыв сплошности течения вблизи пустот, на границах кристаллов и включений;

· дробление и впрыск вещества в полости материала;

· макрокумулятивные эффекты в порах;

· внутрикристаллические дефекты.

Превалирующая роль того или иного механизма локальной генерации тепла до настоящего времени не выяснена. Условия начала разложения в очаге могут быть достигнуты при любом механизме генерации тепла в зависимости от физико-механической структуры и свойств ВВ, его пористости, совокупности термокинетических характеристик и характера действующей нагрузки. Однако эффективность этих механизмов не равнозначна и по проведенным оценкам может быть в порядке возрастания представлена следующим образом (рисунок 2.5): деформационный разогрев - ударно-волновой разогрев - фрикционное тепловыделение - вязкопластический локальный разогрев.

Рисунок 2.5 - Сравнение эффективности элементарных процессов инициирования [6]

Необходимо отметить, что достаточный для начала химической реакции разогрев в очаге еще не гарантирует распространения процесса в объёме и, следовательно, создания предпосылок формирования самоподдерживающейся инициирующей ударной волны и ее перехода в детонационную. Последнее возможно только в тех случаях, когда создаются необходимые условия для суммирования энергии элементарных процессов, когда развитие процесса в очагах приобретает коллективный характер и роль газодинамики становится преобладающей. В результате возрастает влияние фронтальных процессов и формируется локальная зона максимума давления и массовой скорости, а именно ударно-волновой комплекс с энерговыделением в непосредственной близости от фронта, способный при определенных условиях перестроиться в стационарный, детонационный.



3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

3.1 Энергетические характеристики

Критериями действия взрыва являются количество тепла, выделяемое при взрыве, объём образующихся газообразных продуктов и температура взрыва.

Для взрывчатых веществ количество тепла, выделяющееся при взрыве, является очень важной характеристикой, определяющей возможность использования того или иного ВВ в соответствующих условиях. Чем больше выделилось тепла, тем выше температура продуктов взрыва, выше давление, а следовательно, и существеннее воздействие продуктов взрыва на окружающую среду. В реальных условиях применения ВВ не вся теплота, выделяющаяся при взрыве, переходит в механическую работу. Часть ее расходуется на нагревание оболочки, в которую заключено ВВ, и окружающей среды.

Количество тепла, выделяющееся при взрыве 1 кг ВВ, называется теплотой взрыва. Теплота взрыва является важной энергетической характеристикой, определяющей работоспособность ВВ. Количество тепла, выделяемое в результате процесса, протекающего с участием газов, зависит от того, происходит процесс в постоянном или переменном объёме. Полагают, что при детонации ВВ химическая реакция успевает закончиться раньше, чем начнется расширение газообразных продуктов взрыва, и выделение тепла происходит при постоянном

объёме.

Для сравнения энергетических возможностей различных ВВ пользуются величиной Q_V , то есть теплотой взрыва, определяемой при постоянном объёме. Теплота взрыва некоторых взрывчатых веществ Q_V приведена в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Теплота взрыва некоторых ВВ

Взрывчатое вещество	Теплота взрыва QV , ккал/кг
Азид свинца	367
Гремучая ртуть	414
Тротил	1000
Пикриновая кислота	1030
Тетрил	1090
Гексоген	1300
ТЭН	1400
Нитроглицерин	1490

Теплота взрыва определяется экспериментально или расчетным путем. Экспериментальное определение теплоты взрыва производится в калориметрической установке по количеству тепла, поглощенного массой установки при взрыве внутри нее определенного количества ВВ [5].

В основе вычисления теплоты взрыва лежит открытый в 1840 году русским химиком Г.И. Гессом основной закон термохимии, который представляет собой частный случай закона сохранения энергии. В соответствии с этим законом тепловой эффект химической реакции не зависит от того, какие были промежуточные вещества при протекании реакции, а зависит только от состава исходных веществ и конечных продуктов реакции.

Согласно закону Гесса теплота взрыва Q_V равна алгебраической разности между теплотой образования продуктов взрыва и теплотой образования взрывчатого вещества:

Q_V = Q ₁ - Q ₂ ,

где Q ₁ - теплота образования всех продуктов взрыва, равная сумме теплот отдельных продуктов взрыва;

Q ₂ - теплота образования взрывчатого вещества.

Теплота образования различных веществ приведена в специальных таблицах [22]. Продукты взрывного превращения могут быть определены методом газового анализа или рассчитаны теоретически.

Точно определить состав продуктов взрыва методом газового анализа довольно трудно, так как газовому анализу подвергаются уже охлажденные продукты взрыва, а состав охлажденных продуктов в силу ряда обстоятельств может отличаться от первоначального состава, соответствующего максимальной температуре и давлению взрыва. Поэтому чаще всего состав продуктов взрыва определяют расчетным путем [9].

При этом исходят из следующих соображений. Подавляющее большинство ВВ представляет собой органические вещества, состоящие из атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Состав продуктов взрыва определяется главным образом соотношением горючих составляющих (углерода, водорода) и кислорода.

Приведем некоторые особенности расчета теплоты взрыва. Все ВВ условно делят на 3 группы:

· к первой группе относят ВВ с количеством кислорода, достаточным для полного сгорания горючих элементов (например, нитроглицерин);

· ко второй группе - ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного сгорания, но достаточным для полного газообразования (например, гексоген);

· к третьей группе - ВВ с количеством кислорода, недостаточным для полного газообразования (например, тротил).

Руководствуясь общими закономерностями физической химии и термодинамики, можно достаточно точно подсчитать состав продуктов взрыва. Для этого необходимо составить уравнение реакции взрывного превращения. Приближенные реакции взрывного превращения для ВВ первой и второй групп могут быть составлены достаточно просто. Считают, что в результате взрыва ВВ, относящихся к первой группе, образуются лишь продукты полного сгорания CO₂ и H₂ O. С учётом этого реакцию взрывного превращения, например, нитроглицерина можно представить следующим образом:

2C₃ H₅ (ONO₂ )₃ =6CO₂ +5H₂ O+0,5O₂ +3N₂ . (3.1)

Для взрывчатых веществ второй группы пользуются правилом, согласно которому кислород, входящий в молекулу взрывчатого вещества, сначала окисляет весь углерод до окиси углерода, а затем оставшаяся часть кислорода распределяется поровну между водородом и образовавшейся окисью углерода, в результате чего образуются вода и углекислый газ. Руководствуясь этим положением, можно написать уравнение взрывного превращения, например, гексогена:

C₃ H₆ O₆ N₆ =3CO+1,5O₂ +3H₂ +3N₂ =1,5CO+1,5CO₂ +1,5H₂ O+1,5H₂ +3N₂ . (3.2)

Для третьей группы ВВ составить уравнение реакции несколько труднее. Зная реакцию взрывного превращения и состав продуктов взрыва, нетрудно подсчитать их объём V ₀ , приведенный к нормальным условиям (при 0 ^о С и давлении 760 мм.рт.ст.) и отнесенный к килограмму ВВ:

, (3.3)

где 22,4 - объём 1 грамм-моля газа при нормальных условиях, л;

n - количество молей газообразных продуктов, образующихся при взрыве 1 моля ВВ;

Зная теплоту взрыва и состав продуктов взрыва, легко вычислить температуру взрыва:

,

где C_V - теплоёмкость продуктов взрыва в зависимости от изменения температуры.

3.2 Стойкость взрывчатых веществ

Немаловажным критерием безопасности ВВ при хранении является стойкость взрывчатых веществ. ВВ способны не только взрываться от действия начальных импульсов, но и самопроизвольно разлагаться и претерпевать различные физико-химические превращения в процессе длительного хранения. Поэтому при определении срока служебной пригодности ВВ обязательно нужно учитывать такое их свойство, как стойкость (стабильность). С учётом этого свойства определяются условия применения и безопасного обращения с ВВ после истечения определенных сроков хранения. Различают химическую и физическую стойкость ВВ.

Химической стойкостью называют способность ВВ сохранять в процессе длительного хранения неизменными химический состав и химические свойства. Она зависит от природы ВВ, наличия в них примесей других веществ, условий хранения. Применяемые в настоящее время для снаряжения ВВ разлагаются крайне медленно. Они обладают большой химической стойкостью. Это значит, что ВВ могут храниться десятилетиями, практически не изменяя своего химического состава и химических свойств.

Физическая стойкость характеризует склонность ВВ к физическим изменениям (физическое состояние, структура, механическая прочность, форма и размеры) самопроизвольно или под влиянием внешних причин.

Природа и механизм этих изменений для разных ВВ могут быть различными. Так, например, при длительном хранении в условиях жаркого климата (t > +40 ^о С) недостаточно очищенного тротила, получаемого по ускоренной технологии, из него выделяется оливково-желтоватая маслянистая жидкость, получившая название тротилового масла. Тротиловое масло представляет собой легкоплавкую эвтектическую смесь динитротолуолов и тротила. Выделение тротилового масла приводит к разрыхлению ВВ и потере зарядом монолитности, что влечет изменение его взрывчатых характеристик.

Ограниченной физической стойкостью обладают аммонийно-селитренные ВВ, отличающиеся высокой гигроскопичностью и сильной увлажняемостью. Склонность к увлажнению является крупным недостатком аммонийно-селитренных ВВ, ограничивающим их применение и затрудняющим изготовление и снаряжение изделий.

Основной причиной усадки аммотоловых изделий является самопроизвольное слипание и укрупнение кристаллов аммиачной селитры, сопровождающееся уменьшением объёма изделия. Укрупнению кристаллов способствует повышенная влажность аммотола и переход аммиачной селитры из одной модификации в другую. Аммиачная селитра, обладая свойством полиморфизма (модификация форм кристаллов), существует в пяти кристаллических модификациях, каждая из которых стабильна в определенных температурных условиях. Переход из одной модификации в другую (рекристаллизация) происходит при температуре ниже 18, 32, 85 и 125 ^о С. Этот переход сопровождается изменением плотности и соответственно объёма вещества. Если при хранении изделий или боеприпасов температура окружающего воздуха поднимается выше 32 ^о С, то наблюдается «рост» зарядов, так как переход через указанную температуру приводит к модификационным превращениям аммиачной селитры, связанным с увеличением объёма. Поэтому хранение изделий, снаряженных аммотолами, в различных климатических условиях сопровождается многократными полиморфными превращениями, которые могут привести к разрушению изделий. Повышенная влажность аммотоловых зарядов снижает их восприимчивость к детонации, уменьшает скорость детонации и может привести к неполным, а также к затухающим взрывам, переходящим в выгорание.

Изменение объёма, или так называемый «рост» ВВ, происходит у некоторых прессованных зарядов за счет остаточной деформации.

В результате такого «роста» невозможно без предварительной обработки ввернуть взрыватель в боеприпасы, что приводит к дополнительным мероприятиям по безопасности. Поэтому очень важно своевременно обнаружить «рост» ВВ.

Химическая стабильность (стойкость) ВВ характеризует скорость разложения ВВ при хранении и определяет способность его сохранять химический состав и связанные с ним физико-химические и взрывчатые свойства в течение гарантийного срока хранения. Она зависит от химической природы ВВ, наличия или отсутствия в нем нестойких примесей или компонентов, несовместимых друг с другом, а также от условий хранения. При низкой стойкости ВВ хранение больших количеств может привести к самоускоряющемуся разложению и взрыву.

Для отдельных ВВ в основе процесса медленного термического распада разложения лежит, как правило, реакция мономолекулярного распада, протекающая в соответствии с уравнением Аррениуса. Константа скорости реакции К находится в экспоненциальной зависимости от температуры Т :

, (3.4)

где В - предэкспонента (константа уравнения Аррениуса);

Е - энергия активации реакции распада;

R - универсальная газовая постоянная.

Особенностью распада взрывчатых веществ по сравнению с обычными химическими реакциями является необычайно высокое значение как предэкспоненты, так и энергии активации.

В обычных условиях, т.е. при невысоких температурах, химически чистые ВВ достаточно стойкие. Так, если принять для константы скорости первичной мономолекулярной реакции распада, например нитроглицерина, значения В =10^-18,64 и Е =183540 Дж/моль, то период полураспада, рассчитанный по формуле Z _1,2 =ln2/К , в зависимости

от температуры можно представить в виде следующей таблицы (таблица 3.2).

Таблица 3.2 - Период полураспада в зависимости от температуры

Температура, о С	0	20	40	60
Предэкспонента скорости	10-64,34	10-13,95	10-10,93	10-9,2
Период полураспада, лет	4,8Ч 108	2Ч 106	1870	35

Катализировать процесс разложения могут не только продукты собственного распада, но и некоторые примеси. Такими свойствами, в частности, обладают примеси азотной кислоты. Вот почему в технологическом процессе получения нитроэфиров и других мощных ВВ предусмотрена их тщательная отмывка от примесей азотной кислоты и других нестойких продуктов.

В таблице 3.3 приведены энергии активации и кинетические коэффициенты медленного химического разложения ряда индивидуальных взрывчатых веществ [7].

Таблица 3.3 - Энергии активации и кинетические коэффициенты разложения ряда индивидуальных ВВ

Вещество	Е , кДж/моль	lgB	Вещество	Е , кДж/моль	lgB
Нитроглицерин	179	18	Нитрат аммония	170	13,8
Диэтиленгликольдинитрат	178	16,5	Тротил	225	19,0
ТЭН	197	19,8	Гексоген	199	18,5

Методы определения химической стойкости ВВ

Для оценки стойкости ВВ обычно определяют скорость их разложения при повышенных температурах, в пределе - при температуре вспышки. Для сокращения времени испытания ограничиваются определением скорости только начальной стадии разложения.

Стойкость нитроглицерина и нитроэфиросодержащих ВВ определяют йодокрахмальной пробой, по которой продукты разложения (окислы азота) улавливаются чувствительной йодокрахмальной бумажкой. Окислы азота, воздействуя на бесцветный ион йода в йодистом калии, переводят его в элементарный йод, который с крахмалом окрашивается в бурый цвет. Для более четкого обнаружения реакции йодокрахмальную бумажку перед испытанием смачивают до половины водным раствором глицерина. Тогда на границе раздела сухой и влажной бумажки видна ясно различимая цветная полоса. Нитроглицерин, предназначенный для приготовления нитроэфиросодержащих ВВ, не окрашивает бумажку в течение 30 минут, нитроэфиросодержащие ВВ - в течение 10 минут [5].

Реологические свойства

К реологическим свойствам относятся пластичность и текучесть ВВ.

Пластичность - способность ВВ легко деформироваться под воздействием небольших нагрузок и сохранять придаваемую им форму. Пластичные промышленные ВВ характеризуются высоковязкой структурой, обусловленной наличием в них пластификаторов и связующих, в динамитах в виде динамитного желатина (раствор нитроклетчатки в нитроглицерине или нитрогликоле), в водосодержащих ВВ - в виде водного геля. Пластичные свойства ВВ зависят от вязкости динамитного желатина и его содержания в ВВ.

К пластичным промышленным ВВ относятся динамиты, содержащие взрывчатую желатину, и высоковязкие водосодержащие ВВ (акваниты, акваналы, гелеобразные акватолы). При очень высокой вязкости желатина и значительном содержании его в составе ВВ приобретают резиноподобную структуру, деформация становится упругой, ВВ теряет свойство пластичности. К таким ВВ, в частности, относятся динамиты, содержащие более 60 % желатины.

Текучесть - способность ВВ вытекать из емкостей под действием силы тяжести. Этим свойством помимо собственно жидких ВВ обладают низковязкие суспензии - смеси жидкостей и порошкообразных наполнителей. Как и жидкости, такие системы могут перекачиваться по трубам и шлангам с помощью насосов различной конструкции.

Некоторые пластичные ВВ при хранении приобретают структуру твердого тела и вновь становятся пластичными при разминании. Такое явление называется тиксотропией. Для стабилизации пластичности в состав ВВ вводят добавки поверхностно-активных веществ, таких как алкиламины.

Исследования структурно-механических (реологических) свойств показали, что водосодержащие ВВ как с алюминием, так и сенсибилизированные тротилом, по характеру аномалии вязкости относятся к неньютоновским жидкостям с ярко выраженными вязкопластичными и тиксотропными свойствами. При снижении вязкости увеличивается текучесть водосодержащих ВВ, которая обратно пропорциональна вязкости. Вязкость и пластичность ВВ определяется с помощью консистометра Геплера, которым измеряют скорость проникновения иглы с шариком на конце в массу вещества или деформацию цилиндриков из ВВ при действии на них в течение определенного времени заданной нагрузки. В таблице 3.4 приведены данные об изменении пластичности динамита и водосодержащего ВВ, определенные на консистометре Геплера.

Таблица 3.4 - Пластичность динамита и водосодержащего ВВ

ВВ	Усадка (мм) столбиков диаметром 10 мм высотой 8,5 мм при постоянной нагрузке и различных Т, °С
	-10	-15	-20	-25
Динамит	4,14	1,50	0,81	0
Водосодержащее ВВ	4,8	0,37	0,27	0

Для определения пластичности ВВ чаще пользуются более простым прибором - пенетрометром (от лат. penetro - проникаю). Пластичность оценивается в этом случае скоростью проникновения иглы пенетрометра. Ниже приведены результаты испытания водосодержащего ВВ (ВВВ) пенетрометром (таблица 3.5).

Таблица 3.5 - Результаты определения пластичности пенетрометром

Содержание воды в ВВ, %	4	6	8	10
Время проникновения иглы до основания столбика из ВВ высотой 40 мм, с	180	50	30	10

В полевых условиях пластичность ВВ качественно можно оценить по способности изделий разминаться в руке и сплющиваться в шпуре или скважине при нажатии забойником.

3.3 Разрушающие факторы взрывчатых веществ

Детонация ВВ

Детонация представляет собой самоподдерживающийся процесс перемещения по ВВ со сверхзвуковой скоростью ударного фронта (скачка давления), сопровождающийся химическим превращением вещества. Химическая реакция возникает в результате адиабатического сжатия и разогрева вещества в ударном фронте. Комплекс из ударного фронта и зоны химической реакции называется детонационной волной . Давление на ударном фронте имеет порядок от десятков атмосфер (газы) до сотен тысяч атмосфер (мощные бризантные вещества). Установившаяся (стационарная) детонационная волна распространяется по ВВ с постоянной скоростью (от 1 до 10 км/с). Постоянство параметров детонационной волны объясняется тем, что потери энергии, связанные со сжатием и вовлечением в движение вещества, компенсируются теплом, выделяющимся в ударно-сжатом ВВ при его химическом превращении.

Первую математическую модель детонационной волны в газах, опирающуюся на теорию ударных волн, в виде гидродинамической теории детонации разработали в конце прошлого века одновременно несколько ученых - В.А. Михельсон в России, Д.Л. Чепмен в Англии, Е. Жуге во Франции. Эта модель не рассматривает кинетики (пространственно-временных характеристик) химической реакции в детонационной волне, а представляет ударный фронт в ней формально в виде поверхности разрыва, отделяющей исходное вещество от продуктов его химического превращения. В подвижной системе координат процесс представляется таким образом, что в ударный фронт втекает вещество в исходном состоянии и вытекает из него в виде продуктов своего химического превращения. В этом случае, как и в теории ударных волн, но с учётом энерговыделения при детонации, основные соотношения между начальными и конечными параметрами состояния вещества, а также кинематическими параметрами детонации - скоростью перемещения фронта (скоростью детонации) D и массовой скоростью движения продуктов превращения за фронтом U находят из законов сохранения массы, количества движения (импульса) и энергии в волне.

Развитие эта теория получила в работах Я.Б. Зельдовича [10],

Д. Неймана, В. Деринга, независимо предложивших модель детонационной волны, учитывающую физическую зону превращения исходного ВВ в конечные продукты (зону «химпика»). Основные представления об этой модели дают рисунки 3.1 и 3.2. На рисунке 3.1 схематически показан профиль детонационной волны в координатах «давление-расстояние», а на рисунке 3.2 - PV_диаграмма волны.

Согласно данной модели исходное вещество с начальными параметрами P ₀ , V ₀ (точка А на рисунке 3.2) сжимается в ударном фронте до состояния, отвечающего точке В. В этом состоянии в результате адиабатического сжатия и разогрева в веществе возникает экзотермическая реакция взрывного превращения, заканчивающаяся в точке С, называемой точкой Жуге или Чепмена-Жуге и лежащей на адиабате продуктов детонации (адиабате Гюгонио). Процесс превращения сопровождается расширением нагретых газообразных продуктов детонации (ПД), поэтому давление ПД в точке Жуге Р_жпримерно в два раза ниже, чем в точке В. За точкой Жуге (плоскостью Чепмена-Жуге) происходит дальнейший спад давления в ПД вследствие их расширения (волна разгрузки). Прямую АВ, являющуюся касательной к адиабате Гюгонио в точке Жуге, называют прямой Михельсона.

На рисунке 3.1 адиабатическому сжатию вещества отвечает прямая АВ с очень малым наклоном относительно оси абсцисс, что свидетельствует о крайне малом времени сжатия и малой толщине сжатого слоя. Зоне химического пика отвечает участок ВС на кривой спада давления, точка излома С отвечает точке Жуге, участок за этой точкой характеризует спад давления в расширяющихся продуктах детонации.

Исходя из гидродинамической модели, основными соотношениями для детонационной волны являются, согласно законам сохранения:

Массы

,(3.5)

Импульса

,(3.6)

Энергии

,(3.7)

где U - массовая скорость движения продуктов взрыва за фронтом;

D - скорость детонации ВВ;

Е ₁ , Е ₂ - внутренняя энергия продуктов взрыва соответственно в начальном и конечном состоянии;

Q_взр - теплота взрыва;

V ₀ и P ₀ - соответственно удельный объём и давление исходного вещества;

P и V - соответственно давление и удельный объём продуктов детонации.

Совместное решение уравнений (3.5) и (3.6) дает формулы для расчета кинетических параметров детонации:

, (3.8)

. (3.9)

Данные выражения являются одной из форм записи уравнения ударной адиабаты Гюгонио для продуктов детонации.

Большинство исследователей пришли к выводу, что при

r₀ і1 г/см³ скорость детонации (D ) может быть описана линейной зависимостью вида

D= A+ B (r₀ ) (3.10)

или, как это предложил М.А. Кук:

D ₂ = D ₁ + M (r₂ -r₁ ), (3.11)

где D ₂ и D ₁ - скорость детонации при плотности ВВ соответственно r₂ и r₁ ;

М - размерный коэффициент.

М.А. Кук в качестве усредненного коэффициента М рекомендует величину 3500. Значения коэффициентов А , В и величин D _1,0 (плотность 1,0 г/см³ ) и D _1,6 (плотность 1,6 г/см³ ) для некоторых веществ приведены в таблице 3.6 [7].

Таблица 3.6 - Значения коэффициентов А , В и величин D _1,0 и D _1,6 для некоторых ВВ

Вещество	А , км/с	В	D 1,0 , км/с	D 1,6 , км/с
Тротил	1,84	3,20	5,10	6,97
Гексоген	2,40	3,59	6,08	8,03
Гексоген флегматизированный	2,12	3,80	-	-
Октоген	2,56	3,48	6,09	8,08
Октоген флегматизированный	1,09	4,31	-	-
ТЭН	2,25	3,41	5,90	7,85

Приведенные основные соотношения в детонационной волне приемлемы для случая плоской волны, когда вся потенциальная химическая энергия реализуется в детонационной волне и определяет параметры детонации - её скорость, давление и другие. В случае неодномерного течения за ударным фронтом параметры детонации в определенных границах становятся зависимыми от поперечных размеров заряда, как это впервые показал Ю.Б. Харитон. Так как зона химического превращения в детонационной волне имеет конечные размеры, то за время химической реакции (участок ВС на рисунке 3.2) образующиеся сжатые газообразные продукты стремятся к расширению в радиальном направлении. В результате этого в зону реакции с боковой поверхности входит волна разрежения, а охваченная ею масса вещества теряется как поставщик энергии относительного ударного фронта. Так как глубина проникновения волны разрежения обратно пропорциональна радиусу заряда, то относительные потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться с увеличением радиуса заряда, т.е. детонация может устойчиво распространяться по заряду, если продолжительность реакции t в волне меньше времени разброса вещества q в радиальном направлении. Исходя из этого, существует такой минимальный диаметр заряда d _кр , при котором еще возможно устойчивое распространение детонации. Этот диаметр называется критическим диаметром детонации . Его величина находится из условий устойчивости:

При d _з >d _кр потери энергии в детонационной волне должны уменьшаться, а параметры волны соответственно возрастать, асимптотически приближаясь к своему максимуму. Диаметр заряда, при котором параметры детонации близки к максимальным (рисунок 3.3), называют предельным диаметром детонации d _пр . Детонацию, протекающую в заряде с d _кр < d _з < d _пр , называют детонацией в неидеальном режиме.

Критический диаметр зависит от многих физико-химических факторов и уменьшается с увеличением реакционной способности ВВ, которая зависит от природы вещества, его физического состояния - размеров частиц, пористости (плотности) заряда, для смесевых ВВ - от равномерности смешивания. На рисунке 3.4 приведена зависимость критического диаметра заряда тротила от плотности при различных размерах частиц.

Критические диаметры детонации в стеклянных трубках для некоторых веществ при их плотности около 1,0 г/см³ и размере частиц от 0,05 до 0,20 мм приведены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Критические диаметры детонации некоторых ВВв стеклянных трубах при плотности 1,0 г/см³ и размере частицот 0,05 до 0,20 мм

Вещество	d кр , мм
Азид свинца	0,01-0,02
ТЭН	1,0-1,5
Гексоген	1,0-1,5
Тротил	8-10
Нитроглицерин	1-2
Аммонит 6Ж В	10-12

Для жидких и газообразных ВВ имеются другие объяснения критических условий распространения детонации. Они основываются на механизме срыва реакции на стенке. Соответственно значение d_кропределяется не временем собственно реакции в детонационной волне, а временем индукции этой реакции, развивающейся по законам теплового взрыва. При диаметре меньше критического теплового взрыва не происходит. Такой механизм [11] позволяет объяснить очень малый диапазон между значениями d_кр и d_пр для жидких ВВ.

Для твердых промышленных ВВ характерен большой разрыв между величинами d_кр и d_пр , их отношение может достигать 10. Так, например, значение d_кр тонкодисперсных аммонитов в открытых зарядах диаметром 40 мм составляет 150 мм, а максимальная скорость детонации фиксируется в зарядах диаметром более 200…300 мм (рисунок 3.5). В прочных оболочках этот разрыв сужается.

Определение скорости детонации

Сущность определения скорости детонации заключается в измерении времени прохождения детонационной волны между двумя заданными точками с помощью хронографа или сравнении определяемой скорости детонации с известной скоростью детонации. Например, сущность метода определения скорости детонации в конденсаторном хронографе (рисунок 3.6) заключается в том, что за время детонации заряда определенной длины происходит разряд конденсатора C через сопротивление R .

Зная ёмкость конденсатора C и его начальный и конечный заряды q ₀ и q _t , время разряда, т. е. время детонации t, вычисляется по фор-муле:

. (3.13)



1 - гранулит АС-4; 2 - граммонит 79/21; 3 - аммонит 6ЖВ;

4 - граммонит 30/70; 5 - гранулотол; 6 - акватол

Рисунок 3.5 - Зависимость скорости детонации гранулированных и водосодержащих ВВ от диаметра заряда

Рисунок 3.6 - Схема конденсаторного хронографа

Особенность данного метода, дающая возможность определять скорость детонации на малых участках (от 5 до 10 см), заключается в механизме размыкания тока. Для разрыва цепи тока в хронографе использованы два стальных стержня 3 и 4, соприкасающихся с испытуемым зарядом 2. На свободных концах к стержням пришлифованы металлические контакты 3а и 4а, которые только силой сцепления удерживаются на стержне. При прохождении детонационной волны стержень испытывает толчок, пришлифованная пластинка отскакивает и тем самым нарушает контакт. Действие устройства заключается в следующем. До детонации заряда конденсатор С заряжается от батареи Е . Начальный заряд q ₀ может быть определен, если переключатель Р установить на баллистический гальванометр Gи измерить количество электричества по гальванометру. В момент прохождения детонационной волны стержень 3 испытывает удар и контакт 3а разрушается, при этом батарея оказывается отключенной от цепи и конденсатор разряжается через сопротивление R . При достижении детонационной волной второго стержня нарушается контакт 4а и цепь С- R разрывается. После чего с помощью переключателяР измеряется остаточный заряд q _t .

Более простым и распространенным методом определения скорости детонации является метод Дотриша, заключающийся в сравнении определяемой скорости детонации с известной скоростью детонации детонирующего шнура [5].

Наиболее точным методом определения скорости детонации и параметров фронта детонации являются осциллографические и фоторегистрирующие методы, например, с помощью камер ждущей и скоростной фоторегистрации (ЖФР, СФР).

Формы работы взрыва

В общем случае коэффициент полезного действия взрыва зависит от многих факторов: характера работы взрыва, физико-механических свойств объектов разрушения, свойств ВВ и их взаимосвязи [12]. Схематически работу взрыва можно описать на примере типового случая дробления и выброса горной породы при взрыве углубленного заряда (рисунок 3.7).

Возникающая впереди фронта расширяющихся продуктов взрыва волна сжатия (ударная волна) сжимает массив горных пород и вызывает в нем тангенциальные напряжения, приводящие к образованию радиальных трещин. При отражении волны от свободной поверхности возникают растягивающие усилия, приводящие к образованию кольцевых трещин, вблизи от поверхности - откольные явления.



1 - зона вытеснения; 2 - зона раздавливания; 3 - зона трещин

Рисунок 3.7 - Схема действия взрыва (а) и образованиям радиальных трещин (б)

Таким образом, в результате ударно-волновой составляющей действия взрыва в массиве, в дополнение к естественным трещинам, образуется объёмная сетка трещин, которая намечает контуры отдельностей, т.е. форму и размеры кусков породы. Работу разрушения завершают расширяющиеся продукты взрыва, которые сдвигают горную массу с частично нарушенными связями. При этом трещины расширяются и окончательно формируются куски раздробленной породы. При последующем выбросе горной массы куски дополнительно дробятся в результате соударения.

Описанная схематически картина дробления, сдвига и выброса горной массы указывает на две основные формы работы, совершаемой продуктами взрыва: работу дробления и работу перемещения горной массы. Первую называют бризантным или дробящим действием взрыва, вторую - фугаснымили метательным действием.

Бризантное действие взрыва осуществляется за очень короткий интервал времени порядка 10^-6 …10^-5 с и пропорционально головной части импульса взрыва. Фугасное действие пропорционально полному импульсу взрыва I и совершается в течение миллисекунд.

, (3.14)

где p - давление продуктов взрыва, кг/см² ;

m - масса заряда, кг;

t _к - время достижения ПД давления окружающей среды, с;

Q_взр - теплота взрыва, ккал/кг.

Таким образом, бризантное действие обусловлено динамическим ударом продуктов детонации, находящихся под очень высоким давлением (от 20000 до 500000 кгс/см² ), и наблюдается лишь в непосредственной близости от заряда ВВ. На бризантном действии основано применение ВВ в осколочных снарядах, бомбах, гранатах и других боеприпасах; в промышленности для разрушения горных выработок и бетонных конструкций.

В последние годы значительное внимание учеными уделяется изучению бризантного действия ВВ на иерархическую структуру геофизической среды, в том числе и при взрывном дроблении горных пород и бетонных блоков. Так, например, в работе [13] приведены результаты исследования по определению влияния массы m (г) заряда ВВ на величину кусков взорванного материала.

Опыты проводили с искусственными средами - бетонными блоками в форме куба, что позволило исключить из экспериментов влияние таких трудноконтролируемых параметров структурных сред, как трещиноватость и неоднородность. Опыты проводились с различными типами зарядов ВВ и различными величиной и прочностью бетонных блоков. Полученный в результате взрыва кусковой материал разделялся ситовым анализом по фракциям, для них определялся средний размер куска и массовая доля каждой фракции в общей массе раздробленного материала.

На рисунке 3.8 на основе экспериментальных данных представлены гистограммы в полулогарифмических координатах распределения кусков бетона при разрушении внутренним взрывом.

Получены двухмодальные распределения Р (l) кусков по размерам. Полимодальность распределений свидетельствует о наличии в раздробленном материале кусков бетона с характерным размером массой Q , равным значению абсциссы максимумов. Такие куски встречаются чаще всего. По полученным данным построены зависимости характерных (m ) и средних размеров кусков l (m ) при разрушении блоков внутренним взрывом (рисунок 3.9).

Данные зависимости удовлетворительно описываются выражениями:

= 80,89m ^-0,936 ,

(3.15)

l = 70,39 m ^{- 1,382}

Рисунок 3.8 - Распределение кусков бетона по размерампри разрушении внутренним взрывом

Рисунок 3.9 - Зависимости (m ) и l (m ) от массы заряда при разрушении блоков внутренним взрывом

Аналогичные исследования выполнены при разрушении бетонных блоков накладными зарядами.

Таким образом, результаты разрушения бетонных блоков наружными и внутренними взрывами свидетельствуют о наличии характерных размеров кусков . Величина их монотонно снижается с увеличением массы зарядов ВВ и находится в корреляционной связи со средним размером кусков lраздробленного материала. Описанная работа [13] представляет научный интерес, так как результаты взрывного дробления бетонных блоков накладными и внутренними зарядами взрывчатого вещества (т.е. бризантное действие ВВ) рассмотрены с позиции иерархии размеров образовавшихся кусков и установлено, что характерный размер кусков нелинейно зависит от массы зарядов, причем существует связь между характерным и средним l размерами кусков раздробленного материала:

= 1,149 m ^0,446 l .

Оценка бризантности взрывчатых веществ

Наиболее простым и распространенным методом испытания на бризантность является проба на обжатие свинцовых столбиков, проба Гесса (рисунок 3.10). Для испытаний применяется свинцовый столбик 2 диаметром 40 мм и высотой 60 мм, который устанавливается на массивной стальной плите 1 в вертикальном положении.

Рисунок 3.10 - Схема прибора определения бризантности по пробе Гесса

На столбик 2 помещают стальную пластинку 3 толщиной 10 мм и диаметром 41 мм, на которой устанавливается заряд 4 испытываемого ВВ массой 50 г диаметром 40 мм в бумажной оболочке. При взрыве заряда ВВ свинцовый столбик деформируется. Мерой бризантности ВВ является величина обжатия, т.е. разность высот столбика до и после обжатия.

Более точно бризантность оценивают, как это показано в работах П.Ф. Похила и М.А. Садовского, величиной a:

a = Dh /( h ₀ - Dh ) = Dh / h_k , (3.16)

где a - коэффициент бризантности;

Dh - величина обжатия столбика (бризантность);

h ₀ - высота столбика до обжатия;

h_k - высота столбика после обжатия.

Функция a учитывает увеличение сопротивления столбика по мере обжатия. В таблице 3.8 приведены величины бризантности и показателя a для некоторых ВВ при плотности 1 г/см³ .

Таблица 3.8 - Величина бризантности Dh , мм и показатель a для некоторых ВВ

Показатели	Тротил	Аммониты	Детонит М
		6ЖВ	скальный	ПЖВ-20	АП-5ЖВ
Бризантность, мм	16	14	18	13	14	17
a	0,364	0,305	0,43	0,277	0,305	0,396

Методы определения работоспособности ВВ

Газообразные продукты реакции, образующиеся при горении или детонации ВВ, имеющие высокую температуру и находящиеся в сильно сжатом состоянии, способны производить определенную механическую работу, которая проявляется в виде фугасного действия бризантных веществ.

Количество механической работы, совершенной продуктами взрывчатого вещества, зависит от целого ряда условий, причем главными из них являются скорость процесса, удельный объём газообразных продуктов и предельные значения давления и температуры газов, до которых они снижаются при производстве работы. Очевидно, что чем ниже будут конечные значения температуры и давления, тем меньше энергии останется неиспользованной в процессе расширения газов взрыва.

Работоспособность ВВ можно выразить величиной удельной энергии или удельной работоспособности

, (3.17)

где Е - удельная работоспособность;

P ₀ - давление продуктов реакции;

V _{0 k} - объём газообразных продуктов реакции;

Т - температура продуктов взрыва.

Работа, производимая ВВ при практическом их применении, составляет небольшую долю ее максимального теоретического значения, в лучшем случае не более 30…50 %, что еще более затрудняет оценку действительно возможной работоспособности по вычисленным значениям. Поэтому чаще предпочитают сравнивать работоспособность на основе величин, полученных опытным путем.

Для определения относительной работоспособности наиболее широко используется метод свинцовой бомбы (проба Трауцля). Принятая на II Международном конгрессе прикладной химии в качестве стандартной, бомба Трауцля (ГОСТ 4546-81) представляет собой массивный свинцовый цилиндр с несквозным осевым каналом, на дно которого помещают заряд исследуемого ВВ массой 10 г в бумажной гильзе. Свободную часть канала бомбы засыпают сухим кварцевым песком. После взрыва в бомбе образуется характерное вздутие (рисунок 3.11), объём которого и является мерой относительной работоспособности ВВ. Величины относительной работоспособности V (см³ ), определенные этим методом для наиболее характерных веществ, приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Значения относительной работоспособности V (см³ ) для некоторых взрывчатых веществ

Взрывчатое вещество	V , см3
Тротил	285-310
Гексоген	475-495
Аммонит 6ЖВ	360-380
Аммонал №3	460-480
Детонит М	440-460
Аммонит ПЖВ	265-290
Угленит Э-В	130-170

Более точным методом определения работоспособности является метод баллистического маятника , основой которого является груз, подвешенный на жестких тягах к неподвижной опоре. При воздействии на маятник потока продуктов взрыва или ударной волны, он получает какое-то количество движения и отклоняется на некоторый угол, по которому и судят о величине работоспособности.

Широкое распространение получила оценка работоспособности (мощности) ВВ в видетротилового эквивалента . Это - относительная величина, выражающая работоспособность данного ВВ через показатель работоспособности тротила. За этот эталон принимается тротил с плотностью 1,5 г/см³ и с теплотой взрыва 4186 кДж/кг (1000 ккал/кг).

Исходя из определения, тротиловый эквивалент d_T можно выразить уравнением:

, (3.18)

где X и T - индексы, которые относятся соответственно к исследуемому ВВ и к тротилу;

- идеальная работоспособность;

- идеальный термодинамический коэффициент по-лезного действия взрыва;

Q_взр - удельная теплота взрыва, кДж/кг.

В другой, адекватной по физическому смыслу, трактовке тротиловый эквивалент определяется как отношение масс тротила m_Т и данного ВВ m_Х , обладающих равной работоспособностью (), и описывается выражением

. (3.19)

Если мерой работоспособности служит величина энергии генерируемой в воздухе ударной волны, то исходя из уравнения (3.19) тротиловый эквивалент может быть охарактеризован как отношение масс тротила и исследуемого ВВ, генерирующих ударные волны равной интенсивности .

Экспериментально тротиловый эквивалент чаще всего находят путем измерения параметров ударной волны в воздухе. Находят такие массы тротила, которые генерируют ударные волны такой же интенсивности, как единицы масс исследуемых ВВ. Выбор именно этого метода объясняется тем, что процесс формирования ударной волны в воздухе в наибольшей мере приближается к идеальному адиабатическому расширению продуктов взрыва, производящему уплотнение воздуха.

Ударная воздушная волна и ее параметры

Ударная волна (УВ) - наиболее мощный поражающий фактор при взрыве. Она образуется за счет колоссальной энергии, выделяемой в центре взрыва, что приводит, как было показано, к наличию огромной температуры и давления. Раскаленные продукты взрыва при стремительном расширении производят резкий удар по окружающим слоям воздуха, сжимают их до значительного давления и плотности, нагревая до высокой температуры. Такое сжатие происходит во все стороны от центра взрыва, образуя фронт ударной воздушной волны (УВВ). Вблизи центра взрыва скорость распространения УВВ в несколько раз превышает скорость звука. По мере движения скорость ее распространения падает. Снижается и давление во фронте. В слое сжатого воздуха, называемого фазой сжатия УВВ (рисунок 3.12), наблюдаются наиболее разрушительные последствия.

Рисунок 3.12 - Фазы и фронт ударной воздушной волны (УВВ)

Параметры воздушных ударных волн рассчитываются по закону подобия взрывных волн, суть которого состоит в том, что при взрыве зарядов сферической формы параметры УВ являются функциями только массы ВВ или ее энергетического эквивалента и расстояния от геометрического центра взрыва и не зависят от детонационных параметров ВВ . Этот закон выведен из теории точечного взрыва при следующих допущениях: энергия при взрыве заряда выделяется мгновенно и сосредоточенно, а возникающие в воздухе сферические УВ распространяются без диссипативных потерь, их параметры уменьшаются с увеличением расстояния от центра взрыва только вследствие увеличения поверхности волны и соответствующего уменьшения в ней плотности энергии. На основании этих допущений выведены конкретные виды функций параметров УВ от массы заряда и расстояния:

1. Избыточное давление определяется разностью между фактическим давлением воздуха в данной точке и атмосферным давлением (Р_изб =Р_ф -Р_ат = DР ).

. (3.20)

2. Скоростной напор воздуха (динамическая нагрузка, т.е. поток энергии) обладает метательным действием. Совместное воздействие этих двух параметров УВВ приводит к разрушениям объектов и жертвам

. (3.21)

3. Импульс избыточного давления

. (3.22)

4. Длительность фазы сжатия

. (3.23)

5. Длина ударной волны

, (3.24)

где - размерные коэффициенты;

m - масса ВВ, кг;

R - расстояние от центра заряда, м;

r - радиус заряда, м.

Заряды имеют сферическую форму.

В выражениях (3.20)-(3.24) коэффициенты отражают энергетические эквиваленты единицы массы ВВ. Соответственно они являются индивидуальными характеристиками каждого ВВ. Численно они равны соответствующему параметру волны, измеренному при взрыве 1 кг ВВ на расстоянии 1 м от центра заряда.

Если же массу ВВ заменить на ее энергетический эквивалент, например, на величину h_n Q _взр , т.е. на ту часть энергии взрыва, которая переходит в ударную волну, то коэффициенты становятся постоянными величинами, не зависящими от вида ВВ. В таком виде формулы часто используют для решения обратной задачи: нахождения показателя h_n и величины идеальной работоспособности ВВ по измеренным параметрам ударной волны.

На практике зависимости выражают через так называемые приведенные величины, например, приведенные расстояния . Тогда параметры ударной волны становятся функциями приведенных расстояний. Справедливость выражений (3.20)-(3.23) была проверена М.А. Садовским для реальных зарядов тротила [15]. Им было установлено, что зависимость для импульса ударной волны соблюдается с удовлетворительной точностью, а избыточное давление более точно описывается выражением типа полинома:

. (3.25)

С помощью формул (3.20) и (3.25) можно определить тротиловый эквивалент исследуемого ВВ. На рисунке 3.13 приведены кривые изменения давления в ударной волне в зависимости от приведенного расстояния при взрыве тротила на поверхности земли и в воздухе.

1 - взрыв на поверхности земли; 2 - взрыв в воздухе

Рисунок 3.13 - Зависимость давления в воздушной ударной волне от приведенного расстояния

Большой интерес представляют ударные воздушные волны в ближней зоне действия взрыва как с точки зрения безопасности (при проведении аварийно-спасательных работ), так и при практическом использовании, например, при разделке судов или других конструкций на металлолом [16]. В этом случае зачастую взрывные работы приходится вести в стесненных условиях: в доках, вблизи конструкций и сооружений, внутри отсеков кораблей и т.п. Поэтому важно правильно оценить действие взрывов на окружающие сооружения и конструкции, организовать их защиту и рассчитать предельно-допустимый эффективный заряд. Для этого необходимо знать параметры поля взрыва, прежде всего в ближней зоне действия.

В работе [17] показано, что в ближней к заряду зоне, т.е. на расстоянии R =(1…15)r ₀ (r ₀ - радиус заряда), геометрический закон подобия выполняется только для одного и того же взрывчатого вещества при его постоянной плотности r₀ . На малых расстояниях от заряда на параметры УВВ влияет начальная скорость продуктов взрыва. При этом скорость фронта УВВ сферического заряда D (м/с) рассчитывается по формуле [17]:

, (3.26)

где A , n - постоянные величины, принимающие определенные значения в различных интервалах аргумента ;

- расчетный аргумент (безразмерная величина);

- полная энергия взрыва заряда, ккал;

R - расстояние от места взрыва, м;

Q_V - удельная теплота взрыва, ккал/кг;

m - масса заряда, кг.

Зависимость (3.26) уточнена авторами Л.А. Шушко, Ю.А. Каганер в работе [18] на основании обработки данных целого ряда испытаний и собственных экспериментов, в которых исследовались сферические заряды различных ВВ (бризантных и инициирующих, индивидуальных и смесевых, в твердом состоянии и жидких). При этом диапазон начальных плотностей ВВ охватывал все виды зарядов (насыпные, прессованные и сплавы) и составлял от 0,4 до 1,68 г/см³ . В результате исследований получены следующие значения постоянных зависимости (3.26): А =271, n =2/3 в интервале 0,005 Ј x Ј 0,07 и А =112, n =1 при

0,07 < x Ј 0,2.

Параметры ударной воздушной волны, вычисленные по этому соотношению, наиболее близки к полученным для литого заряда ТГ 50/50 при r₀ =1,67 г/см³ , D =7700 м/с и Q_V =1140 ккал/кг. Уточненная зависимость (3.26) приведена на рисунке 3.14 и принимает вид